Контурная обработка — это технология типографской печати, изучаемая Бехрохом Хошневисом из Института информационных наук Университета Южной Калифорнии (в инженерной школе Витерби), которая использует компьютерный кран или козловую систему для быстрого и эффективного построения зданий с существенно меньшим ручным трудом. Первоначально он был задуман как способ создания пресс-форм для промышленных деталей. Хошневис решил адаптировать технологию для быстрого строительства дома как способ восстановления после стихийных бедствий, таких как разрушительные землетрясения, которые преследовали его родной Иран.
Использование быстрорастущего, бетоноподобного материала, контурная обработка образует стены дома по слоям, пока они не перекрываются полами и потолками, установленными на месте краном. Концептуальная концепция предусматривает вставку структурных компонентов, сантехники, электропроводки, утилит и даже потребительских устройств, таких как аудиовизуальные системы по мере создания слоев.
Особенности
Технология заключается в экструзии (экструзии) слоя после слоя специального бетона вдоль пути, установленного программой, растущих стен здания, поэтому технология получила это название. При этом он очень похож на обычную трехмерную печать с использованием технологии Stratasys FDM® (расслоение нагретой термопластичной нити в соответствии с рабочим файлом).
Особенностью технологии является подключение дополнительного инструмента машины — манипулятора, который устанавливает в конструктивное положение опорные и несущие конструкционные элементы, инженерные коммуникации (перемычки, балки перекрытия / балки перекрытия, конструкции ферм, поддоны, дымоходы, вентиляционные каналы , и т.д.).
Строительный материал для строительства несущих конструкционных элементов (стен, полов) представляет собой быстротвердеющий бетон-порошок, армированный стальным или полимерным микроволокном. Особенностью реакционно-порошкового бетона является отсутствие крупного заполнителя без потери отношения связующих веществ / твердого компонента, а также самых высоких эксплуатационных характеристик. Могут также использоваться более дешевые типы бетона, такие как мелкозернистый и песчаный бетон, модифицированный добавками (гиперпластификаторы, ускорители упрочнения, волокно).
Технология армирования может быть применена в инновационных технологиях сплетенных объемных каркасов. Теоретически, такие структуры могут быть привязаны к единой структуре во время строительства.
Преимущество технологии заключается в скорости строительства. Согласно автомобилю, он может построить жилое здание площадью 150 кв.м. в течение 24 часов.
Недостатком является сложность, а в некоторых случаях невозможность строительства зданий открытой планировки и сложных архитектурных форм из-за необходимости создания опорных конструкций.
история
Caterpillar Inc. предоставила финансирование для поддержки исследований проекта Viterbi летом 2008 года.
В начале 2000-х годов теоретические принципы и первая обратная связь доступны, и многие авторы тестируют или планируют будущее автоматических строительных систем целых зданий роботами или одним многозадачным роботом.
В 2002-2004 годах развитие автоматизации в строительстве было медленнее, чем в других областях (в частности, в автомобильной и промышленной робототехнике), но на основе быстрого прототипирования путем добавления материала, используемого в других отраслях промышленности, а также после улучшения головки экструзии и адаптации из материалов (цемент, штукатурка, неотвержденная керамика, использующая принцип Adobe, пластик, смола, полимеры или смеси …), теперь она теоретически достаточно продвинута, чтобы позволить конструкцию добавки, включая луну и другие планеты согласно Хошневису из Университета Южной Калифорнии.
В 2007 году рассматривается альтернатива мостовому крану: использование печатающей головки, ориентированной в пространстве движениями кабелей, к которым она подвешена, причем эти перемещения контролируются компьютером; этот вариант изучается Босчером и его коллегами в Огайо и улучшен в 2008 году.
В 2008 году компания Caterpillar Inc. решила предоставить средства для поддержки исследовательских проектов Viterbi (лето 2008).
В 2009 году аспиранты сингулярного университета (неофициальный университет Силиконовой долины) создали проект ACASA с Хошневисом в качестве директора проекта, чтобы коммерциализировать технику «Контурная обработка» (CC).
В 2010 году Хошневис говорит, что таким образом сможет построить робот (дом-бот) в один день в фулл-хау с краном или электрическим козлом (может питаться чистым источником энергии, безопасным и возобновляемым для электроэнергии зеленым), производя очень мало отходы строительных материалов. Если эта задача будет решена, этот метод может тогда сильно ограничить воздействие на окружающую среду и углеродный след и экологический след строительства домов.
В том же 2010 году Хошневис объявляет, что НАСА оценивает возможность использования Контурной обработки для строительства баз на планете Марс и / или Луну, что также требует способности собирать, транспортировать и готовить лунный материал по разумным ценам, вопрос, изученный двумя годами ранее Zacny et al. и Zeng al (2007).
В 2013 году, основываясь на более ранних работах (2005 г.) и с учетом возможного строительства на месте лунной лаборатории, НАСА контролирует небольшое исследование в Университете Южной Калифорнии, чтобы уточнить этот метод 3D-печати, рассмотрев среди потенциальных применений конструкцию структур или инфраструктур, которые могут быть построены на Луне в режиме ISRU (использование ресурсов на месте), то есть с материалом, содержащим не менее 90% лунных материалов и не более 10% материала, импортируемого с Земли.
Первое французское здание, напечатанное в 3D (YHNOVA, социальное жилье, объявленное в марте 2017 года, должно родиться в Нанте на основе технологии «Batiprint3D», запатентованной Университетом Нанта, и задумано с CNRS, School Centrale, Inria и IMT Atlantique, и запатентован Университетом Нанта).
Хошневис заявил в 2010 году, что НАСА оценивает Contour Crafting для его применения в строительстве баз на Марсе и Луне. Спустя три года, в 2013 году, НАСА финансировало небольшое исследование в Университете Южной Калифорнии для дальнейшего развития технологии 3D-печати Contour Crafting. Потенциальные применения этой технологии включают в себя построение лунных структур материала, который может быть построен из 90-процентного лунного материала, всего десять процентов материала, транспортируемого с Земли.
В 2017 году компания Contour Crafting Corporation (из которой Хошневис является генеральным директором) объявила о партнерстве и инвестициях в Doka Ventures. В пресс-релизе они утверждают, что они «начнут поставки первых принтеров в начале следующего года»,
Принцип
Дом спроектирован на компьютере, и данные затем перенаправляются на трехмерный принтер. 3D-принтер является полностью автоматическим роботом-козлом, который больше, чем здание; Быстротвердеющий специальный бетон и обычный бетон поставляются через бетонные контейнеры.
Во-первых, робот-козловой ротор закладывает слой за слоем, используя быстротвердеющий специальный бетон. Его управляемое компьютером распылительное сопло помещает тонкие следы бетона на землю, которые доводятся до их окончательной формы двумя боковыми шпателями. Затем рама заполняется обычным бетоном. Кроме того, могут быть введены готовые стальные каркасы или тому подобное. Таким образом, здание создается именно после компьютерного рисования.
Этот принцип быстрого прототипирования был разработан американским исследователем Бехрохом Хошневисом, профессором Университета Южной Калифорнии, Лос-Анджелес.
методы
В общем, автоматизированные системы позволяют применять аддитивное, формирующее или субтрактивное управление материалом. Они также могут сочетать — in situ — эти 3 подхода.
Метод CC (Contour crafting) адаптируется к потребностям крупного строительного программного обеспечения и аппаратных средств, созданных для производства или производства пресс-форм для производства промышленных деталей для литейных, стеклянных или пластмассовых изделий, а затем для 3D-принтеров.
С середины 1990-х годов Хошневис постепенно адаптировал эти технологии к быстрому строительному проекту, который может быть реализован, например, после разрушительных стихийных бедствий (цунами, землетрясений), таких как землетрясение. ударил его родину, Иран) или даже на других планетах в контексте космических исследований с присутствием человека. В Европе итальянский Enrico Dini создал свою собственную машину под названием D-Shape, которая откладывает слои песка, закаленные неорганическим связующим, для производства предметов высотой до шести метров (в 2014 году).
В первом случае быстро устанавливаемый материал, такой как бетон из песка и цемента, используемый с «установочным ускорителем», — слой за слоем — стены и элементы дома, полы, потолки и крыша, установленные козловым краном или кран.
Пустоты, необходимые для вставки сантехники, электрической и компьютерной проводки, вентиляции или изоляционных материалов, поставляются выше по потоку в компьютеризированном плане, но робот и его козлока могут теоретически также устанавливать трубы или некоторые вторичные элементы конструкции или декоративные и защитные элементы таких как тесселяции, плитки, штукатурка, краски и т. д.
Альтернативы или экологические варианты
Они стремятся использовать основные материалы, которые широко доступны и имеют небольшой экологический след (песок, гравий, глина и т. Д.) И использовать свободный и безопасный источник энергии, такой как солнечная энергия (преобразуется в электричество и в виде тепла ) ..
В последнее время (2012-2013 гг.), Художественные и / или технические эксперименты использовали машины, строящие объекты или украшения на песке, иногда больших размеров. Это относится, например, к:
наборов или элементов печатной архитектуры (или «вычислительной архитектуры»), созданных архитекторами Михаилом Хансмейером и Бенджамином Дилленбургером, с архитектурным отделом ETH Zurich 36. В этом случае 3D-принтер изготовил крупные объекты (колонны, стены, комнаты), выполненные из песок. Части были сформированы из алгоритмов, направленных на быстрое создание сложных и декоративных архитектурных объектов, которые практически невозможно достичь с помощью классической скульптуры, которые должны быть представлены во Франции в FRAC в Орлеане в 2014 году
Скульптуры или служебные объекты, построенные компьютерным роботом «Stone Spray Robot», способным печатать в нескольких направлениях одновременно (в двух плоскостях, вертикально и горизонтально) для создания сложных, возможно, самонесущих форм (мебель, стены, скульптуры .. построенный на песке, агломерированном клеем (экологическое связующее сертифицированное LEEED (лидерство в области энергетики и экологического дизайна), с электропитанием, которое представляет собой фотоэлектрическую панель. Этот робот был изготовлен Шергиллом, Анной Кулик и Петром Новиковым под руководством Jordi Portell, Марта Мале Алемани и Микель Иловерас из IAAC (Каталонский институт передовой архитектуры (Институт передовой архитектуры Каталонии;
Объекты в расплавленном песке; слияние производится путем концентрирования луча солнечного света на обновленном слое песка пустыни; Именно Маркус Кайзер разработал первый очень простой прототип, успешно протестированный в пустыне Сахара, используя простую линзу френеля, управляемую компьютером, работающим на солнечных батареях («Solar Sinter Project»). Линза концентрирует тепло солнца на песке, добавленном в машину, слой за слоем, форма которого программируется как цифровая модель.
P r Behrokh Khoshnevis, с Университетом Южной Калифорнии и финансированием NASA и Cal-Earth Institute проведут испытания в 2014 году «гигантского 3D-принтера» с проектом по строительству дома за 24 часа. Принтер представляет собой робот, который экструдирует бетон в соответствии с планом, хранящимся на компьютере, который его контролирует.
По словам сторонников этой техники, такие роботы могли в будущем строить — с материалами, собранными (или переработанными) на объекте — гражданскими и военными зданиями, взлетно-посадочными полосами, дорогами, ангарами или радиационными стенами, а также, возможно, жилыми сооружениями на Луне, марше или другие внеземные среды. Тесты проводятся в лаборатории, расположенной в пустыне НАСА (D-RATS). Этот процесс протестирован или был протестирован в небольшом масштабе (проект «Дом будущего / инициатива городской политики» (2004 г.) и рассматривается в промышленности уже несколько лет.
В проекте «3D Print Canal House» используется принтер среднего размера, работающий в контейнере, называемый «Kamermaker», который легко достать на место (испытание в Нидерландах 49), элементы стен, которые затем легко собираются на квадрат; в этом случае используемый пластик состоит из 75% растительного масла, но экспериментируются другие типы пластмасс.
коммерциализация
Caterpillar Inc. финансирует проект школы Витерби с 2008 года.
Хошневис также говорит, что НАСА оценивает контурное строительство как метод построения баз для колонизации Марса и Луны.
В 2009 году студенты из Университета Сингулярности создали проект ACASA с Хошневисом в качестве технического директора по строительству контуров.
старшинство
Концепция производства присадок существует среди модельеров, которые используют глину, воск и архитектуру у мастеров или декораторов, которые используют гипс или штукатурку. С древних времен существовала конструкция слоистых стенок из глины (бука), консолидированная или не известь, солома, волокна и т. Д., Но теперь она потенциально полностью автоматизирована, ускоряется и больше не нуждается в опалубке.
Реализация
Одной из наиболее успешных систем контурной конструкции является D-Shape, разработчиком которой является Enrico Dini. D-Shape позволяет выполнять здания без вмешательства человека. В этом случае D-Shape использует специальную технологию для превращения песка в минерал с микрокристаллическими характеристиками, свойства которых превосходят портландцемент. Согласно некоторым утверждениям, такой материал не требует подкрепления. Отмечается, что D-Shape позволяет ускорить процесс строительства до четырех раз по сравнению с традиционными методами.
В 2009 году система D-Shape уже построила здание высотой 3 метра.
В 2014 году начался прорыв в области строительства зданий с использованием контурной 3D-печати с бетоном.
В течение 2014 года компания Shanghai WinSun объявила о начале строительства десяти трехмерных домов, построенных в течение 24 часов, а затем напечатала пятиэтажный дом и особняк.
Университет Южной Калифорнии прошел первые испытания гигантского 3D-принтера, который может печатать дом общей площадью 250 м² в день.
предполагаемый
Различные более или менее экспериментальные модели были созданы в конце X-го века и помогли постепенно производить детали, все более крупные, обычно одноразовые и одного цвета.
Трехмерный принтер был изначально научной фантастикой (Артур Кларк в 1960-х годах вызвал «репликационную машину», машину, которая будет копировать объекты по мере того, как они печатали книги, что оказало бы глубокое положительное влияние на общество: «человечество будет адаптироваться, как в прошлое «или комиксы (в 1972 году, в мультфильме Тинтин и озеро Шарк, профессор Турнезоль изобретает трехмерный фотокопировальный аппарат, сразу желанный Растапопулосом, для изготовления ложных произведений, дублирующих произведения искусства, украденные из крупных музеев).
Технические решения, существующие в 1990-х годах, предполагают возможность быстрого и полностью автоматизированного строительства здания или комплекса зданий с автоматической покраской, роботизированной установкой плиток и других декоративных или функциональных элементов, таких как трубопроводная вода, газ, кондиционер или аэрация, интеграция электрических, электронных или волоконно-оптических кабелей и т. д.
В 2014 году существуют роботы-хирурги, в том числе операции на головном мозге. Некоторые медицинские роботы могут дистанционно управляться (теле), а модели разработки могут уже адаптироваться в дыхательных движениях или рефлексах пациента в реальном времени. Они предполагают, что точность 3D-печати, применяемой к архитектуре, может продвинуться дальше.
Аналогичным образом, типологии материалов, вероятно, будут расти в будущем в качестве технического прогресса. Также рассматриваются реактивные или «интеллектуальные» материалы, структурированные для хранения или проведения или фильтрации воздуха, воды, влаги, калорий или фригорий, информации и т. Д.
Биомиметик может вдохновить инженеров и архитекторов и предложить новые идеи для эко-жилья с очень низким уровнем воздействия на окружающую среду, без «водного следа» или углеродного следа, или, возможно, погасить свой экологический долг. Такие конструкции можно было бы, например, вдохновить конструктивной моделью некоторых тертитовых курганов, биоконструктивных и / или фотосинтезирующих организмов и т. Д. С использованием микро-роботов, способных, возможно, производить наноструктурированный материал с новыми характеристиками.